苏月婷
江苏安科瑞电器制造有限公司
介绍了烹饪油烟的组成和危害，重点介绍了家庭烹饪油烟污染的特点和净化技术的研究进展，分析了各种技术特点和存在的问题，初步探讨了静电催化耦合技术在烹饪排放污染控制中的应用，分析了当前抽油烟机的技术标准和发展趋势。
油烟污染；家用抽油烟机；环境污染；防治对策
烹饪油烟( cooking oil fumes，COFs) ,油烟是指食用油炸、油炸、烹饪和油炸食品产生的严重化学变化，含有多种有毒化学成分，已成为危害烹饪人员健康的重要因素。此外，分散在数千户厨房烹饪油烟未经处理直接排放到室外，在城市大气中积累，成为城市大气雾霾的重要排放源之一1，甚至被认为是工业排放、机动车尾气排放、空气污染的第三个罪魁祸首2。因此，烹饪油烟的净化对保护大气环境和人类健康具有重要意义。
近十年来，人们更加关注餐饮业油烟净化技术的研发，对分散家庭烹饪污染控制的研究报告较少。因此，本文介绍了烹饪油烟的危害和主要技术的发展，分析讨论了家庭烹饪污染的特点、技术现状、未来发展和法律法规。
1.1 烹饪油烟的主要成分
烹饪过程中会产生由油、水蒸气、液滴、燃烧产品和冷凝有机物组成的微米级粒子。这些颗粒属于超细颗粒，总直径为100nm到2.5μm之间［4］。在形态组成方面，主要由颗粒物和气体物质组成，气体污染物主要是挥发性有机化合物( volatile organiccompounds，VOCs)，是异味的主要来源。
油烟的成分非常复杂，有300种成分 主要包括脂肪酸、烷烃、烯烃、氧化裂解后的短链醛、酮、醇、酯、芳香化合物和杂环化合物。姜燕采用低温预浓缩仪和气相色谱质谱分析技术检测川菜馆排放的油烟废气，共检测14个 种VOCs，其中苯系物6 种( 43%，体积分数，下同) 、烷烯烃4 种( 29%) 、卤代烃2 种( 14%) 、酮类2种( 14%) 。Sjaastad 等8通过研究发现，在炸牛排的过程中会产生大量挥发性醛，包括甲醛、乙醛、丙醛、异丁醛、丁醛、异戊醛、戊醛、庚醛、辛醛、甲醛和甲醛。
1.2 家庭烹饪油烟的特点和危害
国外的烹饪方法与中国有很大的不同品多为生食或半成品加工，厨房污染程度较低； 中国家庭烹饪温度高，油量大，加入各种油、盐、酱、醋。这些酱料在高温下也会发生化学变化，所以中式厨房污染很高。一些研究表明，亚洲的烹饪方法PM2. 5 比西式烹饪多，分别是30~1400和20~535μg/m3。Li 通过分析中餐、西餐和日餐的废气，研究排放中的多环芳烃，发现中餐产生了更高的致癌物苯并芘。其中，西餐是中餐的1 日式烹饪和快餐几乎不产生苯并芘。
中国居民每天平均食用油消耗量为40g，三口之家一天消耗食用油1200g，1年43200g，根据目前市场上95%的家用吸油烟机油脂去除率，每户每年排放2160个油烟颗粒g，计为2 kg，按上海900多万家庭计算，全市排放量超过1.8万吨，记者的调查报告也与上述结果一致。这么大的分散点源排出的油烟废气量相当惊人。如此巨大的分散点源排放的油烟废气量相当惊人。然而，我国家庭厨房油烟排放的管理和控制仍处于真空状态。
在纽约市一项研究中，研究者使用了高分辨率气溶胶飞行时间质谱仪，发现烹饪和交通具有相同比重的有机气溶胶的排放量，其所产生的有机气溶胶占到了30% 总有机气溶胶排放。大规模烹饪已被确定为有机碳和碳的重要贡献者，包括城市环境中通过有机光化学和二次有机气溶胶形成的气态反应产物。
含有油烟VOCs多为有毒有害物质，苯系物、多环芳烃等致癌物质，对人体健康危害较大。研究表明，在中国、香港和新加坡，烹饪频率越高率越高，患肺癌的几率就越高，这与她们经常暴露在充满油烟的厨房环境中有很大关系。与其他国家相比，虽然亚洲女性吸烟率很低，但肺癌的比例高于男性。
国外烹饪产生的油烟浓度较低。大型酒店一般采用热氧化焚烧法，即利用热氧化反应将油烟中的有毒有害成分转化为无毒状态； 中小型酒店一般采用催化剂净化法，将油滴转化为催化氧化燃烧CO二、蒸汽，消除污染和异味。
目前，我国家庭厨房广泛我国家庭厨房，其净化原理是首先采用机械过滤去除大颗粒油滴和水滴，然后通过叶轮旋转，一方面利用离心力产生惯性分离，另一方面产生气力输送效挥一定的净化作用。但吸油烟机只将厨房污染转移到室外，排放口仍能看到明显的烟雾，污染大气。
目前常用的油烟净化技术主要有以下几种: 机械净化、吸附净化、静电净化、洗涤净化等。
2.1 机械油烟净化
机械净化方法主要包括惯性碰撞、旋风分离和过滤。机械净化方法设备简单，运行成本低，维护管理方便，但由于去除效率低，一般于预处理或复合处理。
2.2 吸附油烟净化
吸附法是利用活性炭或其他多孔材料的吸附特性，吸附去除大部分颗粒物和VOCs。这种方法对气溶胶的去除率为40%~70%，对气味。但随着油烟的附着，吸附能力会逐渐减弱，滤料需要频繁更换，维护成本高，细菌和霉菌也可能在活性炭上繁殖发臭，造成二次污染。
2. 3 静电油烟净化
静电油烟净化设备的主要原理是利用阴极在高压电场发出的电子与油烟颗粒碰撞，使颗粒充电，然后利用电场力在捕获区捕获带电颗粒，实现净化分离。静电净化技术比其他技术更有效，如喷淋和洗涤。李家胜报道，当静电式油烟净化设备风速控制在0.6～1.6 m/s，电极电压为2.5 kV 时，1～10μm 颗粒物去除率在90%以上。静电技术虽然能在一定程度上捕集颗粒物，降低异味，但运行效率受运行参数、烹饪工艺、天气条件等因素的影响。
2. 4 湿式油烟净化
湿式油烟净化法是吸收净化液( 水、化学药剂) 液膜或液雾通过特殊装置形成，污染物通过气液接触从气相转移到液相，从而清洗和吸收颗粒物和有害气体。李刚等提出水幕式公共厨房油烟净化装置 邵伟庆等发明的组合式油烟洗涤净化装置净化效率可达80%。清洗方法是去除油烟SO2，NOx等待废气非常有效，但方法耗水耗电，运行成本高； 若采用循环水，喷淋装置易堵塞，不易清洗； 而且设备巨大，场地狭窄的厨房无法安装。
湿式净化方法需要对洗涤液进行无害化处理。显然，该技术可用于餐饮烹饪的排放净化，但难以适用于家庭烹饪油烟排放的净化。
2. 5 催化净化法
催化净化法的原理是在催化剂的作用下，催化氧化燃烧或分解烹饪过程中产生的污染物，转化为二氧化碳和水蒸气，消除污染和气味。用浸渍法制备张大伟等27La0.8Sr0.2MnO3负载纳米催化剂，8000℃当负载达到10%时，烘焙催化剂形成钙钛矿晶粒 催化剂对油烟低温燃烧的催化活性较高，起燃温度为198℃，300℃催化效率高，达90%。Yang 等以Al2O3为载体、MnO2 /CuO 650是活性组分℃将其烘烤成球形催化剂，催化油烟，催化温度为200~600℃，能将PAHs、硝基多环芳烃等氧化物CO2和H2O，在200℃油烟的催化效率达到96%。
以上结果表明，催化燃烧法虽然去除油烟效率高，但需要在高温环境下进行( 300℃左右) 才能进行催化反应，能耗高、危险性大，家庭厨房难以应用。
表1中总结了各种净化技术的优缺点。可以预见，该领域未来的研究是寻找能够同时去除颗粒物和颗粒物的方法VOCs、复合油烟净化技术，整体成本和能耗低，尺寸小，适用于家庭厨房。
表1 常见油烟净化技术比较
高压静电的原理决定了它捕捉小颗粒和净化烹饪油烟的能力。在一定范围内，电压越高，颗粒物捕获效率越高，臭氧越多。臭氧污染环境，单独臭氧去除有机污染物和气味的能力有限。我们的研究表明，在催化作用下O3能实现对VOCs有效净化，同时净化室内静电催化耦合PM和VOCs取得了进展。
净化烹饪油烟的原理主要面临以下挑战： 1) 如何减轻大量油污对高压静电的负担； 2) 如何提高静电模块对PM 和油烟的去除效率，保护催化剂不受污染。
新型油烟净化模块按照这一原理设计，净化过程如图1所示。
图1 静电和催化耦合净化油烟
净化模块采用三段净化处理，一段油烟分离单元采用机械过滤格栅，使油烟气体通过过滤格栅，由于惯性变化、加速，形成湍流和漩涡使颗粒物与过滤格栅充分碰撞，去除油烟气体中大颗粒的油滴和水滴。二段静电单元采用静电捕集原理，分为高压放电区和低压捕集区，通过高压电离作用使油烟颗粒荷电，在通过捕集区域时由于电场作用力而发生偏转，从而收集在捕集极板上。再经过三段催化单元，将油烟气体中的异味及有害气体催化分解，去除油烟中的异味及有害气体。
本课题组建立的脱排油烟机净化性能评价试验台如图2所示，测试方法基本按照GB /T 17713-2011标准进行。
图2 家庭油烟净化器油脂分离度测试平台
图3为采用激光颗粒计数器在油烟净化模块出口端采样进行颗粒物去除效率测试得到的实验结果，其中蓝色棒状数值为空气中的PM数值。
图3 颗粒物去除效率测试结果
从颗粒物测试的结果可见，未经过净化的烹饪油烟中含有大量颗粒物，数值远远大于干净空气中的颗粒物数量，且更多是1μm以下的超细微粒; 经净化后，粒径为0.3～0.5μm 的颗粒物数量有所下降，粒径为1μm的颗粒物数量基本去除一半，粒径为3μm的颗粒物去除率超过80%，粒径为5～10μm的颗粒物的去除率接近100%。由此可见，该净化模块对于大颗粒有很好的去除效果，颗粒物越大，去除效果越好，对1μm以下颗粒物的去除效果不大明显。
采用便携式总挥发性有机物测试仪在净化模块出口端采样进行TVOC去除效率测试可发现，未净化的烹饪油烟中总挥发性有机物的浓度约为7849×10－ 9，净化后其体积分数降至2647×10－ 9，去除率接近70%。
研究表明，高压静电催化耦合具有以下技术优势: 1)静电与催化耦合，高压静电产生的臭氧在催化剂表面快速分解，因而能防止臭氧的溢出;2)由于能实现对臭氧的控制，为高压静电的设计提供了更大的技术空间，所设计的静电模块能实现对PM2.5和更小颗粒物的去除;3)利用静电所释放出的具有高能量的活性物种(O3等)驱动催化反应(克服势垒) ，使得在室温下能有效对油烟排放中的VOCs 和异味等进行有效、持久催化净化。
该项技术具有应用于家庭厨房的潜力，但是要成为产品，仍然面临诸如成本与价格、安装与维护等许多挑战。
从20世纪90年代开始，我国相关部门开始着手制定吸油烟机的行业标准。1999年4月2 日，国家质量技术监督局发布了《吸油烟机》( GB /T17713-1999) ，并于当年10月1日起实施。该《标准》对吸油烟机的定义、产品分类、试验要求、技术方法、检验规则及标志等做了具体的规定。
2011年10月31日，国家质量监督检验检疫总局发布了《吸油烟机》( GB /T 17713-2011) ，用于替代GB /T 17713-1999《吸油烟机》。该标准所涉及污染与排放控制的特点变化主要有以下方面: 1)将标准的《气味降低度》与《油脂分离度》的等级从“提性附录”提升为“规范性附录”; 2)气味降低度区分为“瞬时气味降低度”和“常态气味降低度”，两个指标同时进行考量，并规定: 外排式油烟机的常态气味降低度应不小于90%，瞬时气味降低度应不小于50%; 3)《油脂分离度》标准实验变化之处为: ①实验油由48 mL白色石蜡油变为400 mL玉米油; ②实验油的温度由20±5℃变为290±5 ℃; ③模拟油烟发生的方式由压缩空气喷射石蜡油变为滴水控制: 69mL水在30min±15s内均匀滴入油锅中; ④称质量: 吸油烟机上的油网、油杯和独立滤网烘干后分别称质量; ⑤标准规定: 外排式油烟机的油脂分离度应不小于80%。
新标准考虑了实际家庭烹饪过程中油烟集中、量大的特点，并且提高了独立滤网对油烟外排限制作用标准。该标准的不足之处在于: 1) 油脂分离度在一定程度上限制了油烟机向室外大气排放的油烟量，但是对其排放的PM10或PM2.5 没有具体要求; 2) 标准中的“气味降低度”标准实验是测评油烟机排放能力带来的室内环境的要求，对VOCs的外排放浓度却没有任何限制。
PM和VOCs是大气污染和导致雾霾的主要物质，其中来自烹饪油烟的贡献度不可低估。我们相信，今后吸油烟机的标准中增加PM和VOCs的排放限值要求是必然的趋势。
为了弥补现存餐饮行业在烟油监测上的漏洞，同时便利监管部门的监察，安科瑞油烟监测云平台应运而生。油烟监测模块通过2G/4G与云端平台进行通信和数据交互，系统能够对企业餐饮设备的开机状态、运行状态进行监控；实现开机率监测，净化效率监测，设施停运告警，待清洗告警，异常告警等功能；对采集数据进行统计分析、排名等统计功能；较之传统的静电监测方案，更具实效性。平台预留与其他应用系统、设备交互对接接口，具有很好的扩展性及融合性。
5.1平台结构
平台GIS地图采集餐饮油烟处理设备运行状态和油烟排放的浓度数据，自动对超标排放及异常企业进行提示预警，监管部门可迅速进行处理，督促餐饮企业整改设备，并定期清洗、维护，实现减排环保，不扰民等目的。现场安装监测终端，持续监测油烟净化器的工作状态，包括设备运行的电流、电压、功率、耗电量等等，同时结合排烟口的挥发性物质、颗粒物浓度等进行对比分析，一旦排放超标，系统会发出异常信号。
■ 油烟监测设备用来监测油烟、颗粒物、NmHc等数据
■ 净化器和风机配合对油烟进行净化处理，同时对净化设备的电流、电压进行监测
■ 设备通过4G网络将采集的数据上传至远程云端服务器
5.2 平台主要功能
(1)在线监测
对油烟排污数据的监测，包括油烟排放浓度，颗粒物，NmHc等数值采集监测;同时对监控风机和净化器的启停状态、运行数据进行监测。
(2)告警数据监测
系统根据采集的油烟数值大小，产生对应的排放超标告警;对净化器的运行数据分析，上传净化设备对应的运行、停机、故障等告警事件。
(3)数据分析
运行时长分析，离线分析；告警占比、排名分析；历史数据统计等。
(4)隐患管理
系统对采集的告警数据分析，产生对应的隐患记录，派发、处理隐患，及时处理告警，形成闭环。
(5)统计分析
包括时长分析、超标分析、历史数据、分析报告等模块。
(6)基础数据维护
个人信息、权限维护，企业信息录入，对应测点信息录入等。
(7)数据服务
数据采集，短信提醒，数据存储和解析。
5.3油烟监测主机
油烟监控主机是现场的管理设备，实时采集油烟浓度探测器和工况传感器的信号，进行数据处理，通过有线或无线网络通讯将数据传输到服务器平台。同时，对本地数据进行存储，监控现场设备状态，提供人机操作界面。
具体技术参数如下：
类别 条目 规格
5.4 设备选型方案
注：双探头适合双排烟通道的场合，每路探头监测1路排烟通道。
烹饪油烟是大气环境中PM的主要来源之一。家庭烹饪油烟具有量大、面广、高度分散的特点，控制其排放对保护大气环境、减少雾霾产生具有重要意义。
目前国内油烟净化技术都有各自的优点，但同时存在不足之处。实践证明，高压静电催化耦合技术应用于烹饪油烟处理具有很好的净化效果，不仅对颗粒物有较高的去除效果，同时在室温下能够有效地对VOCs及异味气体等进行持久催化净化。该技术具有应用于家庭厨房的潜力。
技术标准方面，现行油脂分离度标准没有设定排放限值，气味降低度标准对吸油烟机的测评仅仅是评价将污染物转移到室外的能力，因此很有必要增加对PM和VOCs的排放限值要求，在推进油烟净化技术水平提高的同时加强监管和执法力度。
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